(57)【要約】【課題】一軸駆動装置を動力源として利用した上で、様様なバリエーションの出力を確保できるアクチュエータを提供する。【解決手段】磁石でできたシャフト１１２と、該シャフト１１２が貫通可能な貫通孔１１３Ａを有するように巻回され、所定のタイミングで電流が流れるコイル体１１３と、コイル体１１３に連結固定され、コイル体１１３の駆動力を取り出すキャリア体１１４と、キャリア体１１４と一体的に移動可能なボール１１５と、ボール１１５の移動をガイドするガイド溝１５２を備えボール１１５から当該ガイド溝１５２を介して受ける駆動力によって回転する出力軸１５０と、を有してアクチュエータを構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線の軸に沿って延在する磁石と、
該磁石が貫通可能な貫通部を有するように巻回され、所定のタイミングで電流が流れるコイル体と、
該コイル体に連結固定され、該コイル体の駆動力を取り出すキャリア体と、
該キャリア体と一体的に移動可能な移動体と、
該移動体の移動をガイドするガイド部を備え前記移動体から当該ガイド部を介して受ける駆動力によって運動する出力部材と、
を有してなるアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記キャリア体が前記磁石の軸方向と直交する方向に延在し、且つ、前記コイル体と前記移動体との前記軸方向位置が重なっている
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記ガイド部が振幅する溝であり、前記移動体が当該溝に嵌合している
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
更に、前記キャリア体が、他の磁石に貫通して配置される他のコイル体と連結している
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記磁石が、相互に繰り返し配置される少なくとも２つ以上のＮ極と少なくとも２つ以上のＳ極とを有している
ことを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、より詳しくは往復運動を変換して出力するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の一軸駆動装置が知られている。
【０００３】
特許文献１に記載される一軸駆動装置１を図７に示す。
【０００４】
この一軸駆動装置１は、Ｎ極とＳ極とが交互に配列されてなる棒状磁石である固定子２と、前記固定子２に嵌装されるとともに、コイル部材を有し、前記固定子２に沿って移動が可能な環状部材である移動子３と、を有するリニアモータを使用した一軸駆動装置である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２９４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した一軸駆動装置１は、移動子３に被駆動物を連結固定することによって、被駆動物を駆動するものである。しかしながらこの場合には、被駆動物は移動子３の移動する範囲（図７では直線運動）でのみ駆動されるという制限がある。即ち、固定子２との関係上、移動子３は単に直線上を往復して運動することしかできず、更に、その直線の長さも固定子２の長さに制限される。その結果、被駆動物としては、その程度の動きで満足されるものしか連結することができなかった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するべくなされたものであって、一軸駆動装置を動力源として利用した上で、様様なバリエーションの出力を確保できるアクチュエータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、直線の軸に沿って延在する磁石と、該磁石が貫通可能な貫通部を有するように巻回され、所定のタイミングで電流が流れるコイル体と、該コイル体に連結固定され、該コイル体の駆動力を取り出すキャリア体と、該キャリア体と一体的に移動可能な移動体と、該移動体の移動をガイドするガイド部を備え前記移動体から当該ガイド部を介して受ける駆動力によって運動する出力部材と、を有するようにアクチュエータを構成することで、上記課題を解決するものである。
【０００９】
このように構成することによって、コイル体の直線の往復運動（駆動力）を、出力部材に備わるガイド部を介して出力部材へと伝達することによって、出力部材の出力態様に種々のバリエーションを持たせることが可能となった。
【００１０】
例えば、前記ガイド部を出力部材に形成された振幅する溝として構成すれば、直線往復運動を連続する回転運動として取り出したり、コイル体の往復幅（長さ）以上の直線運動として取り出すことも可能となる。
【００１１】
又、キャリア体を磁石の軸方向と直交する方向に延在して構成し、且つ、コイル体と移動体との前記軸方向位置が重なるように配置構成すれば、磁石の軸から移動体をオフセット配置でき、設計自由度を確保できると共に、コイル体が磁石に沿って移動した場合でも、キャリア体や移動体の移動が磁石の長さを超えて生じることはなく、装置全体としてのコンパクト性（磁石の軸方向のコンパクト性）を確保することができる。更に、このキャリア体を、他の磁石に貫通して配置される他のコイル体と連結した構成とすれば、複数のコイル体の駆動力を１つのキャリア体に集約できるため、出力トルクの大きなアクチュエータを構成することが可能となる。
【００１２】
又、前記磁石を、相互に繰り返し配置される少なくとも２つ以上のＮ極と少なくとも２つ以上のＳ極とを有するように構成すれば、キャリア体をより精度良く位置決めすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、一軸駆動装置を動力源として利用した上で、様様なバリエーションの出力を確保できるアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下添付図面を用いて、本発明に係る実施形態の一例を説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る実施形態の一例を示したアクチュエータ１００の上面一部断面図、図２（Ａ）は、図１における矢示IIＡ‐IIＡ線に沿う切断部端面図（一部透視図）、（Ｂ）は、図１における矢示IIＢ-IIＢ線に沿う切断面端面図である。
【００１６】
図示したように、本実施形態においては、出力軸（出力部材）１５０が円筒形状に構成されており、連続した回転を出力可能としている（詳細は後述）。なお、出力軸１５０を本実施形態のような円筒体で構成すれば、中空部分に配線等のケーブル類を自由に貫通させて使用することが可能である。
【００１７】
アクチュエータ１００は、ケーシングとして機能する円筒形状のフレーム１７０の内側に、回転支持体１５４を介して円筒形状の出力軸１５０が配置されている。又、出力軸１５０の軸心Ｏを中心に、周方向にお互いの位相を約１２０°異ならせて、出力軸１５０の半径方向外側に３つのリニアモータ部１１０が配置されている。リニアモータ部１１０の外面は、フレーム１７０と一体的に形成されているカバー１１７で囲まれている。
【００１８】
出力軸１５０の外周面における軸方向両端部は、回転支持体１５４によってカバー１１７（フレーム１７０）に対して回転可能（軸心Ｏを中心に回転可能）に支持されている。又、出力軸１５０の外周面には、１周にわたって一定の幅且つ所定の繰り返し数で振幅するガイド部としてのガイド溝１５２が形成されている。
【００１９】
リニアモータ部１１０は、２本のシャフト１１２と、当該シャフト１１２のそれぞれを貫通して配置されるコイル体１１３と、この２つのコイル体１１３を連結するキャリア体１１４と、キャリア体１１４を支持するリニアガイド１１６と、キャリア体１１４に配置固定されたボール（移動体）１１５を有する構成とされている。シャフト１１２は、自身の長手方向が出力軸１５０の軸方向と平行に配置されている。又、シャフト１１２の両端部が、断面が「コの字」形状（図２（Ｂ）参照）のカバー１１７に対して当接している。
【００２０】
シャフト１１２は、その少なくとも一部が棒状の磁石で構成されており、アクチュエータ１００においては、１本のシャフト１１２の中に１組の極（Ｓ極及びＮ極）が軸方向に区画されて存在している。
【００２１】
コイル体１１３は、導電性を有する線形部材が巻回された構成とされており、前述したシャフト１１２が貫通可能な貫通孔（貫通部）１１３Ａを有している。コイル体１１３は、この貫通孔１１３Ａにシャフト１１２が貫通するように配置されている。又、このコイル体１１３には、外部からの通電により電流を流すことが可能とされている。即ち、当該コイル体１１３に電流が流されると、シャフト１１２を構成する磁石の磁力線との作用（フレミングの左手の法則）によって、当該コイル体１１３がシャフト１１２に沿って移動（往復運動）することが可能である。
【００２２】
それぞれのシャフト１１２に貫通しているコイル体１１３は、キャリア体１１４によって連結架橋されている。このキャリア体１１４は、シャフト１１２の長手方向（軸方向）と直交する方向に延在する板状体である。この板状のキャリア体１１４の内側、即ち、出力軸１５０側には、凹部１１４Ａが設けられており、当該凹部１１４Ａに後述するボール（移動体）１１５が配置されている。
【００２３】
なお、本実施形態では、リニアモータ部１１０が３つ設けられているため、以下、説明に応じて、リニアモータ部１１０を第１〜第３リニアモータ部１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃとして、又、リニアモータ部を構成する各部材についても「第１〜第３」との文言及び符号末尾に「Ａ〜Ｃ」の記号を付して区別して説明する場合がある。
【００２４】
各キャリア体１１４には、移動体であるボール１１５が備わっている。このボール１１５は、キャリア体１１４に備わる凹部１１４Ａに嵌合している。本実施形態では、ボール１１５がキャリア体１１４と別体として構成されているが、キャリア体１１４と一体的に（例えば、削り出し、鋳造、溶接等により一体的に）構成しても良い。このボール１１５は、コイル体１１３及びキャリア体１１４と共に移動可能とされており、コイル体１１３及びキャリア体１１４が移動するに伴ってボール１１５も同様に移動するような構成とされている。又、このボール１１５は、キャリア体１１４の凹部１１４Ａに嵌合すると同時に、出力軸１５０の外周面に１周にわたって形成されているガイド溝１５２に嵌合している。
【００２５】
なお、図示はしないが、アクチュエータ１００には、出力軸１５０の回転位置（回転角度）を検出可能なエンコーダ、及び当該エンコータからの情報を受けて３つのリニアモータ部を制御するドライバが備わっている。
【００２６】
続いて、アクチュエータ１００の作用について説明する。
【００２７】
アクチュエータ１００の電源が入れられると、ドライバによって制御されたリニアモータ部１１０のコイル体１１３に電流が流れる。このコイル体１１３に電流が流れると、流れた電流の方向とシャフト１１２を構成する磁石の磁力線との作用により、コイル体１１３はシャフト１１２に沿って（即ち、出力軸１５０の回転軸と平行に）運動を始める。コイル体１１３に流れる電流の方向は、出力軸１５０の回転位置を監視するエンコーダからの情報を基にドライバにより適宜切り替えられるため、その切り替えに応じてコイル体１１３の移動の方向は反転する。その結果、コイル体１１３と一体的に形成されているそれぞれのキャリア体１１４も往復運動する。
【００２８】
各キャリア体１１４が往復運動することによって、各キャリア体１１４に備わっている各ボール１１５もそれに伴い（出力軸１５０の回転軸と平行な）往復運動を始める。このときキャリア体１１４は２つのコイル体１１３を架橋するように構成され、ボール１１５の位置を挟んで左右からコイル体１１３、更にはシャフト１１２によって支持されている。その結果、２つのコイル体１１３の駆動力がキャリア体１１４へと集約され、ボール１１５を大きなトルクで駆動可能となっている。勿論、キャリア体１１４が１つのコイル体１１３、１本のシャフト１１２によって支持されるような構成としてもよく、そのように構成すればよりコンパクト、低コストでの実現が可能である。又、本実施形態のように、キャリア体１１４をシャフト（磁石）１１２の軸方向と直交する方向に延在する板状体で構成し、且つ、コイル体１１３とボール１１５との軸方向位置が重なるように配置構成すれば、アクチュエータの運転時に、コイル体が磁石に沿って移動した場合でも、キャリア体や移動体の移動がシャフト１１２の長さを超えて生じることはなく、装置全体としてのコンパクト性（シャフトの軸方向のコンパクト性）を確保することができる。なおここでの「重なり」は、完全な重なりのみを意味しているのではなく、例えば、一方から見ると他方の軸方向位置が常に重なっているが他方から見ると重なる部分はあるが常に重なっているとはいえない場合や、いずれかから見ても重なる部分はあるが常に重なっているとはいえない場合も含む概念である。
【００２９】
各ボール１１５は、出力軸１５０の外周面に形成されたガイド溝１５２に嵌合しているため、出力軸１５０に対してガイド溝１５２を介してボール１１５側から駆動力が伝達される。この伝達された駆動力によって、出力軸１５０には以下のように回転力が発生する。
【００３０】
キャリア体１１４の往復運動、即ちボール１１５の往復運動によって、出力軸１５０が回転することについて図３を用いて説明する。図３は、出力軸１５０の展開図であって、ガイド溝（ガイド部）１５２、ボール（移動体）１１５との位置関係を示したものである。第１ボール１１５Ａは第１キャリア体１１４Ａに配置されており、第２ボール１１５Ｂは第２キャリア体１１４Ｂに配置されており、第３ボール１１５Ｃは第３キャリア体１１４Ｃに配置されている。この状態で、出力軸１５０を図３における回転方向（矢示）に回転させようとする場合には、第２ボール１１５Ｂが図３における下方向に駆動され、第３ボール１１５Ｃが図３における上方向に駆動されている必要がある。即ち、第２ボール１１５Ｂが、ガイド溝１５２に嵌合しつつ図３における下方向に駆動されることによって、出力軸１５０を矢示した回転方向（図３においては左方向）に回転させようとする分力Ｆｒが発生する。又、第３ボール１１５Ｃを図３における上方向に駆動することによって、出力軸１５０を矢示した回転方向へと回転させる分力Ｆｒが発生する。ここで発生した分力Ｆｒによって、出力軸１５０は矢示方向へと回転を始める。
【００３１】
なお、図３の状態において、第１ボール１１５Ａは出力軸１５０の回転には寄与しない。これは、第１ボール１１５Ａが、ちょうど振幅するガイド溝の頂点に位置しているため、第１ボール１１５Ａが図３における上方向又は下方向のいずれかに駆動されたとしても、出力軸１５０に対する回転方向への分力は発生し得ないからである。
【００３２】
このようにして出力軸１５０が回転すると、その直後には第２ボール１１５Ｂがガイド溝１５２のちょうど底辺のところに位置する。このときの第２ボール１１５Ｂは、先程説明した第１ボール１１５Ａと同様に、出力軸１５０の回転には寄与し得ない。但し、その時点においては先の時点で回転に寄与していなかった第１ボール１１５Ａが出力軸１５０を回転させるための分力を発生している。
【００３３】
即ち、この実施形態におけるアクチュエータ１００においては、常に２つのボール１１５が出力軸１５０の回転軸と平行に駆動されることによって、出力軸１５０の回転に寄与する分力を発生させている。
【００３４】
又、前記説明したガイド溝１５２は、説明等の便宜上、出力軸１５０の外周面の１周にわたって繰り返し数１の振幅として説明している。しかし実際には、図４に示す例のようなガイド溝が形成される。図４における符号Ｗは、ガイド溝１５２の振幅を示しており、符号Ｍはガイド溝１５２の１繰り返し単位（例えば最小値から次の最小値まで）に必要な周方向の距離を示している。実際に出力軸１５０に形成されるガイド溝１５２は、振幅Ｗの値が１繰り返し単位に要する周方向の距離Ｍの１／２（即ち、Ｍ／２）よりも大きくなるように設計される。これは、ガイド溝１５２内を移動するボール（移動体）が出力軸１５０の回転軸と平行に駆動された際に、このガイド溝１５２との接触角αが４５度以下になることによって、出力軸１５０の回転トルクを増幅させる作用が発揮できるからである。即ち、摩擦等の損失を考慮しなければ、キャリア体１１４の駆動されるトルクよりも、出力軸１５０の回転トルクを大きくして出力することができる。よって、この振幅Ｗの値は、ガイド溝１５２の１繰り返し単位に要する周方向の距離Ｍの１／２よりも大きいのが好ましい。この比率は、アクチュエータ１００の用途等により適宜変更して構成可能であり、場合によっては全部又は一部の振幅Ｗの値を、ガイド溝１５２の１繰り返し単位に要する周方向の距離Ｍの１／２よりも小さくして増速目的を達成することも可能である。
【００３５】
その他にも、図５に示す例のように、１つのキャリア体１１４に対して、複数のボール１１５を設けるような構成としても良い。このようにすれば、個々のボール１１５に掛かる負荷が分散されることによって、ボール１１５やガイド溝１５２の耐久性を向上させることが可能であると共に、装置全体として伝達容量を増大することが可能となる。図５における実施例においては、各キャリア体１１４に対して２つのボール１１５を設けているが、これに限られる趣旨のものではなく、３つ以上であれば更に上述のメリットは大きくなる。
【００３６】
なお、ガイド溝１５２の振幅形状は、図３乃至図５で説明したような正弦波（サイン波）形状のものに限られるものではない。例えば、波形の一部が直線状に形成されていても良い。このような形状のガイド溝とすれば、溝自体の加工も容易であり、駆動時におけるボールに対する負荷変動を少なく抑えることが可能となる。又、キャリアの往復運動を制御しやすいというメリットもある。
【００３７】
又、ガイド溝１５２の断面形状は、三角形状のものであればボール１１５との圧力角を取り易く、耐荷重性が向上するというメリットがあるが、三角形状以外にも、特に、軸受円弧形状としても良い。
【００３８】
又、移動体としてボール１１５を例にして説明しているが、必ずしもこのボールのような球体に限られるものではなく、例えばローラを用いて構成してもよい。球体である場合には、簡易に構成でき、ボール自身が自転することによって摩擦ロスや摺動ロスの少ない構造とすることが可能である。一方、ローラとして構成した場合には、ローラがガイド溝１５２内を移動するに伴って自由に回転することによって、ボール等の球体に比べて更に摩擦ロス・摺動ロスを低減することが可能となる場合がある。又、ローラの代わりに、キャリアに円柱状（円筒状）のものを一体的に設けてもよい。
【００３９】
なお、前述した実施形態においては、全て出力軸１５０の外周面にガイド溝１５２が形成されていた。これは、外周面に形成することによって、ボール（移動体）から回転分力を受ける位置を、出力軸１５０の軸心Ｏから離し、より高い出力軸の回転力（回転トルク）を得る為である。一方、アクチュエータ１００のように、出力軸１５０が中空部を有する円筒体で形成されている場合には、必ずしも外周面にガイド溝１５２を設ける必要は無く、例えばガイド溝を内周面側に設けると共に、リニアモータ部を円筒体の内周面側に設けることによって、アクチュエータ自体の径方向の大きさをコンパクトに設計することが可能となる。更に、出力軸１５０の外周面から内周面へと貫通するようにガイド溝１５２を形成することも可能であり、そのように構成することで、出力軸１５０の内側及び外側の両方にリニアモータ部を設けることができ、より伝達容量を大きくすることが可能となる。
【００４０】
又、アクチュエータ１００のように、リニアモータ部１１０の数を３の整数倍の数設けるようにすれば、広く一般に利用される三相モータドライバによりリニアモータ部の電流制御を行なうことが可能となるため、別途専用のドライバを用意する必要が無い。一方で、図６に示したアクチュエータ２００のように、それぞれのシャフト２１２に組み込まれた磁石を相互に繰り返す複数組の極（ここでは３つのＳ極と３つのＮ極）となるように構成し、更に、コイル体２１３にも３相の電流を流す構成とすれば、より高精度にキャリア２１４の位置決めができ、結果的に出力軸２５０を精度良く位置決めすることができる。
【００４１】
又、アクチュエータ１００、２００は、連続した回転を出力し続けるだけでなく、キャリアの往復運動を制御することによって、例えばステッピングモータのように機能させることも可能である。このとき、出力部材である出力軸に１周にわたって形成されるガイド溝の繰り返し数を多くとることで、１繰り返し単位当りの周方向の距離を短くすることができ、より細かなステップで位置を制御することが可能となる。
【００４２】
なお、本明細書において説明したアクチュエータ１００においては、キャリア体１１４が３つ設けられ、それに伴いボール１１５も３つ設けられていたが、最低限２つずつ設けられていれば本発明の目的は達成し得る。それは、常時最低限１つのボール（移動体）がガイド溝を介して出力軸を回転させるための分力を発生していれば、出力軸の回転を維持し続けることができるからである。
【００４３】
なお、出力部材、ガイド部の態様は、上記で説明したような円筒形状、振幅する溝のものに限られない。例えば、出力部材が真っ直ぐな板状体であったり、湾曲した板状体であてもよい。真っ直ぐな板状体として構成すれば、当該板状体の長さに応じて直線的に運動する出力部材とすることができる。即ち、コイル体の往復幅の距離（長さ）以上の直線運動として取り出すことも可能となる。又、湾曲した板状体として構成すれば、円弧に沿って運動する出力部材として構成することも可能である。
【００４４】
一方、ガイド部は、例えば、溝ではなくて突起として構成したり、段差を設けて当該段差に移動体が当接することでガイドされるような構成を採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
例えば、産業用ロボットの関節部の駆動等に適用すれば、様々な動きを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る実施形態の一例を示したアクチュエータの上面一部断面図
【図２】（Ａ）は、図１における矢示IIＡ‐IIＡ線に沿う切断部端面図（一部透視図）、（Ｂ）は、図１における矢示IIＢ-IIＢ線に沿う切断面端面図
【図３】出力軸の展開図であって、ガイド溝（ガイド部）、ボール（移動体）との関係を示した図
【図４】出力軸の展開図であって、ガイド溝の他の構成例を示した図
【図５】出力軸の展開図であって、ボールの他の構成例を示した図
【図６】（Ａ）、（Ｂ）共に、シャフトの他の構成例を示した図であって、図２相当図
【図７】特許文献１に記載された一軸駆動装置の斜視図
【符号の説明】
【００４７】
１００…アクチュエータ
１１０…リニアモータ部
１１２…シャフト
１１３…コイル体
１１３Ａ…貫通孔
１１４…キャリア体
１１４Ａ…凹部
１１５…ボール（移動体）
１１６…リニアガイド
１１７…カバー
１５０…出力軸
１５２…ガイド溝（ガイド部）
１５４…回転支持体
１７０…フレーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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